Основная роль заполнителей - гранитного щебня заключается в резком снижении расхода цемента в бетоне, что важно с двух точек зрения.
Во-первых, цемент заменяется более дешевыми и не требующими крупных затрат горючего на обжиг местными материалами.
Во-вторых, снижение содержания цемента в бетоне при неизменном водоцементном отношении увеличивает стойкость бетона по отношению к различным агрессивным воздействиям, снижает степень усадочного трещинообразования в массивных конструкциях, а при тепловой обработке железобетонных изделий уменьшает вредное влияние экзотермии.
Вместе с тем введение в бетон заполнителей приводит к образованию в структуре бетона огромного количества сравнительно слабых участков сцепления цементного камня с поверхностью заполнителей, что ослабляет бетон и снижает его стойкость.
Практикой и исследованиями установлено, что во многих случаях; контакты цементного камня с заполнителями являются самым слабым местом в структуре бетона. В бетонах марок до «200»—«300», изготовленных на прочных заполнителях, при разрушении обнаруживаются характерные гнезда, точно повторяющие фактуру и форму входивших в эти гнезда зерен крупных и мелких заполнителей.
Исследования показали, что при отделении заполнителей от цементного камня всегда значительная часть поверхности не имеет следов цементного камня (рис. 1, см. вклейку), что свидетельствует о почти полном отсутствии истинного физического сцепления (склеивания) на этих участках поверхности заполнителей.
Такая же картина наблюдается в местах сцепления поверхности зерен песка с цементным камнем; многочисленные гнезда, служившие ложем для зерен песка, обнаруживаются на поверхности излома при разрушении бетона.
Рис. 1. Участок поверхности гранитного щебня (увеличение 32Х): 1 — поверхность гранита; 2 — остатки цементного камня в виде полосок и точек
Подобное явление происходит и в армированном бетоне, в котором стальная арматура сравнительно легко отделяется в изломе от бетона, нередко оставляя в нем гладкое ложе.
На рис. 2 показана поверхность гранитного щебня, отделенного от раствора, изготовленного на шлако-портландском цементе. Остатки цементного камня видны в виде полосок по контурам зернистой фактуры гранита, точек и пятен различной формы.
Рис. 2. Участок поверхности гранитного щебня (увеличение 20 X): 1 — углубления; 2 — зерна кварца; 3 — зерна полевого шпата
В другом случае расположение остатков цементного камня весьма точно передает террасно-уступчатую или зернистую поверхность гранита (рис. 3). Обнаружено, что во многих случаях полосы цементного камня (изломы) располагаются по уступам ниспадающих террас плоскостей спайности на поверхности заполнителя. Особенно часто это наблюдается на поверхности слюды, почти не имеющей сцепления с цементным камнем.
Рис. 3. Участок террасно-уступчатой фактуры поверхности гранитного щебня (увеличение 20Х): 1—поверхность гранита; 2 — цементный камень; 3 — «точка» цементного камня размером в несколько микрон
Слабое сцепление поверхности заполнителей с цементным камнем можно объяснить многими причинами. К ним относятся наличие на поверхности заполнителей преграды (пыли, водной пленки, тончайшей жировой пленки), плохое сродство между заполнителями и цементным камнем, иногда наличие на поверхности заполнителей легко снимающейся пленки толщиной в несколько микрон (обнаруживаемой в виде налета в гнездах заполнителей в изломе бетона).
Самая же главная причина слабого сцепления заключается в не сплошном «склеивании» новообразований цементного камня с поверхностью заполнителей, что является следствием специфического развития цементного камня и образования трещин разрыва (усадочных, температурных и т. п.).
При рассмотрении микрошлифа бетона Броун и Карлсон обнаружили характерные щели вдоль поверхности зерен песка (одно зерно кварца размером 200 γ и одно зерно полевого шпата размером 400 γ.), заполненные ноздреватой светлой массой кристаллов Са(ОН)2. Кристалллы извести являются вторичными новообразованиями в структуре бетона; они постепенно заполняют такие щели, мало увеличивая при этом сцепление поверхности заполнителей с цементным камнем, что подтверждается многими исследованиями.
